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1、非粒子交换导致的长程作用力 非粒子交换导致的长程作用力是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，非粒子交换导致的长程作用力是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，非粒子交换导致的长程作用力的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。 摘 要最近，Georgi建议了一种客体非粒子，它不存在色散关系的约束（因而不是粒子），却受所谓的标度量纲控制.文章作者指出，它与粒子相互作用会导致粒子间新奇的长程力.这种力与人们熟知的长
2、程力完全不同，在人们已设想到的任何新物理中也没有这样的长程力.如果在未来的精确测量中发现了这种力，这将明确地指向非粒子物理，从而对粒子物理学的基本概念产生重要影响.另方面，利用现有的精确观测的电子自旋-自旋长程作用，文章作者得到了对电子与非粒子相互作用的很强限制.对该领域的研究前景，文章中也作了简短的展望.关键词非粒子，长程力，标度不变性Long|range force from unparticle exchangeLIAO Yi(Department of Physics, Nankai University, Tianjin300071, China)AbstractUnparticle
3、s as recently suggested by Georgi are identities that are not constrained by dispersion relations (and are thus not particles) but are governed by their scaling dimension. We show that their coupling to particles results in novel long|range forces between particles that are totally different from kn
4、own ones or those arising in any other new physics contemplated so far. If such forces were discovered in future precision measurements it would point to unparticle physics unambiguously, and thus impact significantly the basic concepts of particle physics. On the other hand, we use the existing pre
5、cisely measured long|range spin|spin interaction of electrons to set stringent bounds on the unparticle coupling to the electron. We also mention briefly the prospects for research in this field.Keywordsunparticle, long|range force, scale invariance1 引言万有引力和库仑力是我们仅知的长程作用力.它们具有宏观尺度的力程，并遵从距离平方反比律.自然界中
6、是否存在别的长程力？是否存在平方反比律以外的长程力？由于这是一个基础性的重要问题，物理学家们从理论和实验方面进行了长期不懈的探索.量子场论是建立在狭义相对论和量子论基础上的、描述相互作用的理论框架.按照量子场论的观念，相互作用或力是通过力的载体（称之为力的量子或粒子）传递的，而长程力是质量为零的量子导致的.比如，引力子传递引力作用，而光子传递电磁作用1).长程力的平方反比律是相互作用在低速极限下的主要特征；它源于两个基本事实.其一，所有粒子（包括力的量子）都满足一个色散关系，即：粒子的能量E、动量P间存在二次型约束，E2=P2c2+m2c4.这里，常数c是光速，m则是粒子的质量.其二，我们生活
7、在一个三维的物理空间.当然，如果相互作用的粒子有自旋，或者，如果我们计入很小的相对论性效应或量子论修正，力的长距离行为与平方反比律会有很小的偏离，但这些偏离总是距离的负整数次幂.有趣的是，即使在像紧致额外维（compactified extra udimensions）这样的新颖理论中，作用力也是距离的负整数次幂2).这样就自然产生了一个疑问：自然界不可能存在别的形式的长程力吗？一个比较简单、看上去也不怎么奇怪的形式似乎是距离的负的非整数次幂.什么样的量子能传递这种力？前述分析告诉我们，它不可能是粒子！在通常的量子场论中，粒子是作为场的量子激发而自然出现的；因此，这样的回答看起来很奇怪.其实，
8、产生这一印象倒不是因为这种形式的长程力太离奇，而是因为我们太习惯于粒子这样的基本物理概念，以至于很难偏离哪怕是一小步.最近，Georgi基于理论上的设想，建议了一种新客体，因为不是粒子，他称之为unparticle（本文暂译为非粒子）1.这项建议立即引起了广泛注意和研究.人们发现非粒子会产生一些不寻常的物理后果3).因为我们关于相互作用的知识都是通过粒子的实验研究获得的，非粒子的物理理论自然应该包括它与粒子间的相互作用.本文将主要介绍非粒子与粒子的相互作用所导致的粒子间长程力2.该长程力一般具有距离的负非整次幂形式.由于目前实验上尚未发现这种力，我们可以对非粒子与粒子的相互作用给出很强的限制.
9、如果在未来的实验中发现了这种力，这将是存在非粒子的特征性证据，因为如上所述，通常的粒子理论产生不了这种长程力，而这可能导致基础理论的深刻变化.2 粒子与非粒子质量，如同电荷、自旋一样，是粒子的固有属性，它决定了粒子的运动学特征.比如说，只要是电子，它的质量就总是 0.511 MeV4).在量子场论中，我们可以将一个粒子A与另一个粒子B的相互作用过程（如碰撞），形象化地理解为，粒子A（或B）发射了一个虚的力量子Q，后者又被粒子B（或A）吸收.这里，力量子Q是虚的，指的是在该过程中它的能-动量（称之为四动量或动量）p不满足色散关系.从运动学上很容易理解这一点：我们观察的是粒子A和B，因此，在相互作
10、用发生的前后，它们都是实的（或称为物理的）粒子，满足各自的色散关系.四动量守恒告诉我们，它们发射或吸收的粒子Q就一定是虚的.这一相互作用的强弱既取决于粒子A和B发射或吸收粒子Q的强度（即相互作用形式和耦合常数），也取决于虚的力量子Q自由传播的振幅（称之为传播子）.后者正比于(p2-m2)-1，其中m是力量子Q的质量5).由此，我们根据量子力学知道，粒子A和B在低速运动时（这时动量传递p也很小）的作用力是长程的还是短程的，取决于力量子Q的质量m是否为零.这样，我们也容易理解，弱作用力是短程的，因为它的力量子非常重；而电磁力是长程的，因为光子无质量.什么是非粒子？目前，还没有人知道确切答案，关于非
11、粒子的基本理论也尚未建立.但这并不意味着我们无法研究非粒子的物理.物理学的经验告诉我们，虽然所有的物理现象或许可以在一个统一的基本理论框架内加以理解，但每一个能量或时空尺度的物理问题有其特点，我们可以通过引入合适的物理学量对该尺度的物理现象进行简单而有效的描述.比如，量子力学是比牛顿力学更基本的理论，但在研究宏观现象时，我们使用得更多的是牛顿力学的坐标与速度，而不是量子力学的波函数.这一物理经验在量子场论领域也得以成功实践，这便是有效场论的观念：在每个能量尺度，我们都可以引入有效的物理自由度或动力学场变量来描述物理过程；因此，我们将得到有效场论按能量尺度递减的一个序列，而重整化理论将这些不同尺
12、度的有效场论联系在一起. Georgi关于非粒子的建议1也是建立在有效场论观念之上的.他设想，非粒子可能起源于某个能量尺度极高的基础理论，后者具有非平庸的红外固定点.也就是说，当所研究的物理问题的特征能量低于某个值时，该理论实际上是一个标度不变的相互作用理论.他进一步假定，在能标U时，该标度不变的理论产生了新的物理自由度，即动力学场变量U，它在标度变换下按标度因子的简单幂次变换6).正如通常的场的量子激发称为粒子一样，场U的量子激发则称为非粒子.之所以加上“非”字，是因为在标度不变的一般理论中，没有“质量”这个概念，而质量是粒子的一个基本属性.有趣的是，虽然不存在质量这个概念，标度不变性足以决
13、定非粒子的运动学性质.比如，在四动量p空间非粒子的态密度正比于(p2)dU-21；利用幺正性质，这又意味着无自旋非粒子场的传播子正比于(-p2+i0+)dU-23,4.通过与前述的粒子情形比较，可以想象，如果两个粒子通过交换一个非粒子而产生相互作用，我们将得到完全不同的长程作用力，即：距 非粒子交换导致的长程作用力是小柯论文网通过网络搜集，并由本站工作人员整理后发布的，非粒子交换导致的长程作用力是篇质量较高的学术论文，供本站访问者学习和学术交流参考之用，不可用于其他商业目的，非粒子交换导致的长程作用力的论文版权归原作者所有，因网络整理，有些文章作者不详，敬请谅解，如需转摘，请注明出处小柯论文网
14、，如果此论文无法满足您的论文要求，您可以申请本站帮您代写论文，以下是正文。离的负非整次幂.这是下小节将要讨论的问题.如果粒子间存在新的长程力，它一定非常弱，否则，我们早就在通常的粒子物理实验（仅涉及少量粒子间的相互作用）中发现了.因此，人们一般利用大块物质间相互作用的叠加效应来寻找新的长程力.虽然大部分实验仅对自旋无关的作用力敏感，近几年已有实验探测与自旋相关的作用力，并获得了超越自旋无关实验的独特信息.我们的研究工作限于讨论电子系统，主要是基于以下的考虑.从大块物质的实验，我们能得到关于核子、电子相互作用的知识.在粒子物理标准模型中，核子、电子已处于不同的地位：电子是基本粒子，而核子则是夸克
15、、胶子等基本粒子通过强作用形成的复合粒子；我们很自然地预期，一个更高能量尺度的理论将可能以夸克、胶子（而不是核子）和电子等作为基本成员.因此，关于电子的实验结果能直接限制理论模型中可能的相互作用形式；相反地，关于核子的实验结果需要“反解”强作用变为夸克、胶子的数据才能与新理论建立联系，而这将不可避免地引入强作用导致的不确定性.进一步，由于大块物质间与自旋无关的相互作用被核子主导，在唯象分析中，我们将集中于电子所主导的与自旋相关的相互作用实验.为了求得上述相互作用导致的电子间作用势（其空间梯度的负值即是作用力），我们只需算出，在非相对论极限下，t道非粒子交换对电子散射振幅的贡献.我们将保留到m-
16、2阶次项，这里m是电子质量；更高阶项对长程力贡献被显著压低，可忽略不计.质心系中电子的平均速度也可忽略.这样，我们求得电子间的作用势为Ut(r)=Ad(4是相互作用电子对的相对位置矢量，是描写电子自旋的Pauli矩阵，下标1,2标记两个电子.Ad是出现在非粒子传播子中的归一化常数：Ad=165/2(2)2d(d+12)(d-1)(2d),(5)非粒子交换也可以发生在电子与正电子之间，从而影响电子偶素（电子与正电子的束缚态）谱的超精细分裂.这方面的结果及其他讨论，请参阅文献2.下面我们仅讨论电子间的长程力.如我们预期的那样，非粒子导致的电子间长程作用势和作用力一般是距离的负非整次幂.自旋无关作用
17、力的领头项来自标量型和矢量型非粒子，而自旋有关作用力的领头项则由轴矢量型非粒子贡献，它们都遵循r-2d的规律.对d(1,2)，这是介于库仑力与磁偶极矩间作用力之间的长程力.如果与电子作用的只有赝标量型非粒子，则自旋无关作用力很小（实际上至我们考虑的O(m-2)阶次为零），但它对自旋相关作用力可以有显著贡献，并遵循r-2d-2的规律.现在我们利用电子自旋-自旋作用的实验结果来约束非粒子与电子的耦合常数.目前，共有四个精确可靠的实验.其中两个使用力矩摆5,6，另两个则利用诱导的顺磁性7,8.后两个实验给出的结果限制性更强，我们在文献2中有较详细的分析，下面仅作简要介绍.文献7,8在分析实验时假定，
18、电子间新的自旋-自旋作用仍遵循标准的磁偶极矩间作用形式，即作用势为Uexp(r)=exp2Br-3(a-3a);其中B是Bohr磁子，exp则是作用强度.他们得到上限，exp=(1.22.0)10-14.当我们将该结果运用于非粒子传递的自旋-自旋作用力时，需要注意，无论是距离依赖关系还是S和a项的相对权重，二者都不相同.因此，严格来说，需要做详尽的数值分析才能得到对耦合常数CS,P,V,A较准确的限制.但我们发现，利用该实验装置和样品的几何特点，可将问题大为简化.首先，相互作用的两块样品的尺寸远比它们的距离小，因此，它们间的作用势基本按它们的典型垂直距离的幂次简单叠加.其次，一个样品的自旋极化
19、方向和另一个样品的磁化方向都处在与样品连线垂直的平面内；因此，对两样品中大部分电子对而言，a项远比S项小，可以忽略.这两点近似造成的误差应是数量级为1的几何因子.通过要求非粒子导致的作用势不超过实验测量值，我们就可以得到对耦合常数或特征能量尺度的限制.3 结语非粒子与粒子的相互作用会导致粒子间的长程作用力，后者一般是距离的负、非整次幂形式.这是一种新形式的长程力，在目前设想到的其他理论模型中都不出现，因此是非粒子物理所特有的.如果实验能发现这种力，这可能将是非粒子现实性的无异议证据，从而对粒子物理学的基本观念产生深刻影响.另方面，利用已有的高精度实验，可以对这种作用施加很强的限制.我们的研究结
20、果表明，至少对电子而言，基本可以排除它与标度量纲较小的赝标量、矢量和轴矢量型非粒子耦合的可能性；对其他情形的限制也比较强.这一结论是否局限于电子等轻粒子有待进一步的研究.非粒子是个很新颖的想法.正如Georgi所指出的，它不像通常的粒子物理新模型那样只是带来更多的新粒子和更大的自发破缺对称性.它提出并尝试回答这样一个基本问题：除了粒子，是否存在我们尚未发现的新客体？但是，究竟这只是一个有趣的学术新花样，还是与现实世界有关的新概念，取决于我们能否建立自洽的理论，更取决于实验的检验.目前，我们还没有关于非粒子的量子场论；一个自洽场论必须满足的前提条件，比如散射矩阵的存在性、幺正性、因果性等，尚未受
21、到检视.从唯象角度看，很难想象与粒子有相互作用的非粒子不参与规范相互作用；文献中已有这方面的尝试，但还不成功.另一个可能的发展方向是拓展非粒子物理的应用领域.在最近完成的工作9中，我们尝试建立非粒子体系的热力学，发现非粒子是介于物质和光辐射之间的一种能量形式，这可能为宇宙中暗物质的研究提供新途径.参考文献1 Georgi H. Phys. Rev. Lett., 2007, 98: 2216012 Liao Y, Liu J Y. Phys. Rev. Lett., 2007, 99: 1918043 Georgi H. Phys. Lett. B, 2007, 650: 2754 Cheun
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